電學設計性實驗專題.doc

電學設計性實驗與拓展性實驗專題如皋市薛窯中學邵平安一、問題的提出實驗是物理學的基礎，離開了實驗，物理學就不會產(chǎn)生，更談不上發(fā)展。物理實驗發(fā)展到今天，已成為一門體系完整，方法嚴密，技術復雜的獨立的分支學科。中學物理教學大綱明確提出：中學物理教學要培養(yǎng)學生的觀察、實驗能力。目前進行的高考改革，更明確地提出：注重對學生能力和素質的考查，命題要把以知識立意轉變?yōu)橐阅芰α⒁?。近幾年的高考物理試題對實驗的考查，已從考查一般性的實驗知識記憶轉向對實驗能力的考查，并開始出現(xiàn)了以學生實驗和演示實驗為背景的設計性實驗試題和以拓展為特征的實驗題。設計性實驗和拓展性實驗題的特點是：以高中物理演示實驗與學生實驗為基礎和探索起點，命題者根據(jù)學生的認知結構和物理實驗的一般特點，通過改變實驗目的、實驗要求、實驗控制條件、測量對象、實驗儀器、實驗圖景等，提出新的實驗課題及實際問題，要求學生運用已學的實驗理論和方法解決新情景下的實驗課題及實際問題，或者要求學生運用新的實驗方法設計新的實驗。由于這種設計性實驗和拓展性實驗題是在原有學生實驗中拓展而來的，滲透了新的實驗思想方法及情景，因而既考查了學生對原有學生實驗（主要是實驗思想方法和實驗理論）的掌握程度，又考查了學生運用原有實驗理論和方法設計新情景實驗以及運用新實驗理論和思想方法設計新實驗的設計創(chuàng)新能力。高考物理實驗復習必須培養(yǎng)和訓練學生的實驗設計和創(chuàng)新能力。二、解決問題的方法與典型例題分析（一） 改變實驗目的和要求，改進原有實驗和設計新實驗改變原有學生實驗的目的和要求可以從以下幾個方面進行：（1）把原來的驗證性實驗變?yōu)闇y量性實驗；（2）把原來的測量性實驗變?yōu)轵炞C性實驗；（3）把原來驗證某一規(guī)律的驗證性實驗變?yōu)轵炞C另一規(guī)律的驗證性實驗；（4）把原來測量某一物理量的測量性實驗變?yōu)闇y量另一物理量的測量性實驗；（5）改變實驗數(shù)據(jù)處理要求（例，要求運用圖象方法處理實驗數(shù)據(jù)）；（6）改變實驗測量精度要求（例，要求減小實驗測量誤差）。【例題1】（1999年高考上海卷）現(xiàn)有一阻值為10.0的定值電阻、一個開關、若干根導線和一個電壓表，該電壓表表面上有刻度但無刻度值，要求設計一個能測定某電源內(nèi)阻的實驗方案（已知電壓表內(nèi)阻很大，電壓表量程大于電源電動勢，電源內(nèi)阻約為幾歐）要求：（1）在右邊方框中畫出實驗電路圖：（2）簡要寫出完成接線后的實驗步驟；（3）寫出用測得的量計算電源內(nèi)阻的表達式= ?！军c撥解疑】在分組實驗中有測定電源的電動勢和內(nèi)電阻的實驗，我們從該實驗知道測定電源的電動勢和內(nèi)電阻，至少應使電源連接不同負載兩次，然后利用全電路歐姆定律求解。但現(xiàn)在只有一個定值電阻可用作負載；另外，應由電流表和電壓表兩個表，但現(xiàn)在只有一只電壓表，而且是沒有刻度值的；不過考慮到電壓表電阻很大，而且題目只要求測出電源的內(nèi)阻，應該有變通的辦法。（1）我們可以把斷路也作為一種負載狀態(tài)，實驗電路如圖所示。S斷開時，因電壓表內(nèi)阻遠大于電源內(nèi)阻，可認為是斷路狀態(tài)，S閉合時，又是一種負載狀態(tài)。（2）實驗步驟如下：按電路圖連接好電路。在開關S斷開狀態(tài)下讀出電壓表指針所在處的分度格數(shù)n1.閉合開關S，讀出電壓表指針所在處的分度格數(shù)n2.（3）設電壓表每一小分度表示的電壓為U0。S斷開時，有 E=n1U0S閉合時，有解以上兩式，得（二）改變實驗控制條件，運用新的實驗思想方法設計、處理新實驗實驗的精髓在于控制，每個物理實驗都在一定的控制條件下進行的，改變了實驗的控制條件，為了達到原有的實驗目的，往往需改變原有的實驗理論和實驗方法。高中物理學生實驗常隱含實驗控制條件，在高考物理實驗復習中，教師可以通過改變學生實驗的控制條件來進行實驗拓展，引導學生在新的實驗控制條件下運用新的實驗方法設計新的實驗，處理實驗數(shù)據(jù)，從而培養(yǎng)學生設計新實驗的創(chuàng)新能力?！纠}2】（2001年高考理綜卷）實驗室中現(xiàn)有器材如實物圖乙所示，有：電池E，電動勢約10V，內(nèi)阻約1；電流表A1，量程約10A，內(nèi)阻1約為0.2；電流表A2，量程300mA，內(nèi)阻2約5；電流表A3，量程250mA，內(nèi)阻3約5；電阻箱R1，最大阻值999.9，最小阻值改變量為0.1；滑線變阻器R2，最大值100；開關S；導線若干。要求用圖甲所示的電路測量圖中電流表A的內(nèi)阻。（1）在所給的三個電流表中，那幾個可以用此電路精確測出其內(nèi)阻？答： 。（2）在可測的電流表中任選一個作為測量對象，在實物圖上連成測量電路。（3）你要讀出的物理量是 。用這些物理量表示待測內(nèi)阻的計算公式是 ?！军c撥解疑】該題要求根據(jù)電路圖設想出實驗原理。屬于有一定提示的設計型實驗。與我們學過的伏安法測電阻相比較，這里被測電阻是電流表的內(nèi)阻，它能顯示出通過自身的電流，因此只要知道其上的電壓就行，但沒有電壓表，卻有另一只電流表。根據(jù)電路圖可以看出，如果圖中表A是被測表，則其上電壓就是電阻箱上電壓，利用兩只電流表的讀數(shù)差和電阻箱上顯示的阻值可以求出該電壓，這樣就可以求出電流表的電阻。（1）電流表A1不能精確測出其內(nèi)阻，因這時圖中的電流表A應為A2、A3中的一只，這使得電流表A1中的電流不能超過300mA，其指針的偏轉極其微小，誤差很大。而A2、A3可用此電路精確測出其內(nèi)阻。（2）若測3，實物連線如圖所示。（3）根據(jù)前面的分析，要讀出的物理量是A、A兩電流表的示數(shù)I、I和電阻箱的阻值R1，待測內(nèi)阻的計算公式是評注：該題是分組實驗原理遷移型的實驗題，是高考實驗題中常出現(xiàn)的一種。因此在做設計型實驗題時，首先應回顧分組實驗的實驗原理，看看是否有遷移的可能。該題實際上是用比較法測電阻，比較待測電流表和電阻箱上的電流，從而比較出待測電流表的電阻。（三）改變實驗儀器，運用新的實驗理論和方法設計新實驗 這種拓展性實驗題改變了原有測量性學生實驗的測量儀器（包括測量對象），提出了在新的測量儀器下測量原有物理量或新的物理量的新的實驗課題，學生運用原有學生實驗中理論和方法無法解答的新實驗課題。在高三物理實驗復習中教師通過創(chuàng)設這種拓展性物理實驗教學情景，引導學生進行探索創(chuàng)新，從而培養(yǎng)學生運用新的實驗儀器、實驗理論、實驗方法設計新實驗的創(chuàng)新能力?！纠}3】如圖所示，四個相同的電流表分別改裝成兩個安培表和兩個伏特表。安培表A1的量程大于A2的量程，伏特表V1的量程大于V2的量程，把它們按圖接入電路，則（1）安培表A1的讀數(shù) 安培表A2的讀數(shù)；（2）安培表A1的偏轉角 安培表A2的偏轉角；（3）伏特表V1的讀數(shù) 伏特表V2的讀數(shù)；（4）伏特表V1的偏轉角 伏特表V2的偏轉角；（填“大于”，“小于”或“等于”）答案：大于 等于 大于 等于易錯點警示：沒有深刻理解伏特表和安培表的內(nèi)部結構和工作原理，進而不能將“讀數(shù)”和“偏轉角”物理的實質區(qū)分開來。【例題4】測量金屬絲電阻實驗的拓展創(chuàng)新原有實驗：運用限流電路外接伏安法測量金屬絲的電阻。 實驗拓展：在復習中教師通過改變實驗測量對象和儀器對 這個學生實驗進行如下二個方面拓展：拓展1 ：給定表二中實驗儀器，要求設計一個方案測量電流表G1（量程1mA 內(nèi)阻約300）的內(nèi)阻； 拓展2 ：給定表三中實驗儀器，要求設計一個方案測量電流表A1（量程1mA 內(nèi)阻約300）的內(nèi)阻； 學生在教師的指導下分別設計出上述二個由實驗儀器改變產(chǎn)生的拓展性實驗，分別為如圖所示。左圖中運用分壓電路和比較的實驗思想方法進行設計，右圖中運用分壓電路和半偏實驗方法進行設計。通過上述實驗拓展復習教學，培養(yǎng)了學生運用新的實驗思想方法設計新實驗的設計創(chuàng)新能力。（四）創(chuàng)設新的實驗圖景，遷延創(chuàng)新設計應用很多學生實驗中滲透了物理理論、物理實驗思想方法、物理實驗技術，這些實驗理論、方法、技術往往具有較高的應用價值，從某種意義上講，物理實驗教學中進行學生實驗教學的一個重要目的是要求學生能把握上述這些實驗理論、方法及技術，并能遷移應用到新的實驗圖景和新的實際問題中去。在物理高考實驗復習中，教師通過創(chuàng)設一種新的實驗圖景和應用圖景來拓展原有的學生實驗，要求學生運用原有實驗中學到的實驗理論、方法、技術來設計新實驗課題的新方案，處理新實驗數(shù)據(jù)，解決新的實際應用問題，從而培養(yǎng)學生把所學的實驗理論、方法、技術遷移應用于新領域的創(chuàng)新能力?！纠}5】有一根細長而均勻的金屬材料樣品，截面為外方（正方形）內(nèi)圓，如圖所示。此金屬材料質量約為0.10.2kg，長約為30cm，電阻約為10。已知這種金屬的電阻率為，密度為。因管線內(nèi)徑太小，無法直接測量，請根據(jù)下列提供的實驗器材，設計一個實驗方案測量其內(nèi)徑dA毫米刻度尺 B螺旋測微器C電流表（600mA 10） D電流表（3A 0.1）E電壓表（3V 6k） F滑動變阻器（2k 0.5A）G滑動變阻器（10 2A） H直流穩(wěn)壓電源（6V 0.05） I開關一個，帶夾子的導線若干（1）除待測金屬材料外，應選用的實驗器材有 （只填代號字母）。（2）畫出你所設計方案的實驗電路圖，并把所選儀器連成實際測量電路。（3）用已知的物理常量和所測得的物理量，推導出計算金屬管線內(nèi)徑d的表達式。解答：（1）A、B、C、E、G、H、I（2）如下圖。一般要求注意：按原理圖接線；電流表外接還是內(nèi)接，準確測量應選擇的量程；變阻器分壓式連接還是限流式連接；開關接通后輸出電壓最小；電流方向與電表極性一致。（3）設長度為l，截面外邊長為a，兩端電壓為U，電流強度為I.電阻，橫截面積故有 解得易錯點警示：（1）中漏選B和I，認為金屬線邊長可以用毫米刻度尺測量。（2）中畫成限流接法。（3）中符號不規(guī)范，沒有用直接測得的量來表達直徑d。變式訓練：若截面為外方（正方形）內(nèi)梅花形，測出空心梅花的截面積?！纠}6】分壓控制電路的拓展移植應用分壓式控制電路是高中物理電路實驗中常用的一種控制電壓變化的電路，它有很高的實際應用價值。在高三物理實驗復習中可對它作如下移植應用拓展。拓展應用 ：（此題系2001年上海市物理高考題） 某學生為了測量一物體的質量，找到一個力電轉換器，該轉換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力（比例系數(shù)為k），如圖所示。測量時先調(diào)節(jié)輸入端的電壓，使轉換器空載時的輸出電壓為0；而后在其受壓面上放一物體，即可測得與物體的質量成正比的輸出電壓U?，F(xiàn)有下列器材：力電轉換器、質量為m0的砝碼、電壓表、滑動變阻器、干電池各一個、電鍵及導線若干、待測物體（可置于力電轉換器的受壓面上）。請完成對物體質量的測量。（1）設計一個電路，要求力電轉換器的輸入電壓可調(diào)，并且使電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大，在方框中畫出完整的測量電路圖。（2）簡要說明測量步驟，求出比例系數(shù)k，并求出待測物體的質量m。（3）請設想實驗中可能會出現(xiàn)的一個問題。上述高考實驗拓展題要求學生運用高中物理實驗中學到的分壓控制電路來進行力電轉換器的控制電路設計，通過解答這個實驗拓展題，考查了學生運用分壓電路解答實際問題的能力。 總之，中學的設計型和拓展性實驗一般要求考生根據(jù)題目提出的目的、要求和給出的器材，設計出實驗方案。這類題對考生的要求較高，要求考生能將課本中分組實驗和演示實驗的實驗原理、實驗方法遷移到新的背景中，要求考生深刻理解物理概念和規(guī)律，并能靈活運用，要求考生有較強的創(chuàng)新能力。1設計原則（1）正確性：實驗原理所依據(jù)的原理應當符合物理學的基本原理。（2）安全性：實驗方案的實施要安全可靠，實施過程中不應對儀器及人身造成危害。要注意到各種電表均有量程、電阻均有最大允許電流和最大功率，電源也有最大允許電流。（3）方便性：實驗應當便于操作，便于讀數(shù)，便于進行數(shù)據(jù)處理。（4）精確性：在實驗方案、儀器、儀器量程的選擇上，應使實驗誤差盡可能的小。（5）經(jīng)濟性：節(jié)約能源，節(jié)約經(jīng)費。2設計思路實驗設計可用下面的框圖表示題目要求和給出的條件演示和分組實驗的實驗原理物理規(guī)律和原理基本儀器的使用知識需測物理量和所需器材實驗步驟數(shù)據(jù)處理實驗原理解決設計型和拓展性實驗問題的關鍵是確定實驗原理，它是進行實驗設計的根本依據(jù)和起點，它決定應當測量那些物理量、如何安排實驗步驟、如何處理數(shù)據(jù)等。實驗原理的確定，要根據(jù)問題的要求和給出的條件，回顧分組實驗和演示實驗，尋找能夠遷移應用的實驗原理，或者回顧物理原理，尋找有關的物理規(guī)律，設法創(chuàng)設相關的物理情景，并根據(jù)已掌握的基本儀器核對是否能夠測出必須測定的物理量。因此，掌握基本儀器的使用方法、基本的實驗方法和基本物理原理是解答設計型和拓展性實驗題的基礎。三、2005高考試題預測與訓練：1圖為測量電阻的電路，R x為待測電阻，R的阻值己知，R為保護電阻，阻值未知。電源E的電動勢未知，K1、K2均為單刀雙擲開關。A為電流表，其內(nèi)阻不計。 （1）按圖（a）所示的電路，在圖（b）的實物圖上連線。（2）測量R x的步驟為：將K2向d閉合，K1向_閉合，記下電流表讀數(shù)I1，再將K2向c閉合， K1_向閉合，記電流表讀數(shù)I2。計算R x的公式是R x=_2已知一個區(qū)域的地下埋有一根與地表面平行的直線電纜，電纜中通有變化的電流，在其周圍有變化的磁場，因此可以通過在地面上測量閉合試探小線圈中的感應電動勢來確定電纜的確切位置、走向和深度。當線圈平面平行地面測量時，在地面上a、c兩處測得試探線圈中的電動勢為零，b、d兩處的電動勢不為零，當線圈平面與地面成45夾角時，在b、d兩處測得試探線圈中的電動勢為零。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)：a、b、c、d恰好位于邊長為1m的正方形的四個頂角上，如圖8所示，據(jù)此可以判斷地下電纜在 兩點連線的